JP2017115763A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの冷態時、特に、外気温が低い場合において、エンジンの始動性を向上する。【解決手段】吸気通路４に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサ１１と排気通路１４に配置される排気タービン１２とを備えた機械式過給機１０と、排気通路１４における排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路４１を開閉する排気バイパスバルブ４２と、吸気通路４に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサ３２を備えた電動式過給機３０とを備え、エンジンの始動時に電動式過給機３０を駆動するとともに排気バイパスバルブ４２を閉状態とするエンジンの制御装置とした。【選択図】図１

Description

電動機で吸気を過給する電動式過給機と、排気ガスのエネルギをタービンで回収して吸気を過給する機械式過給機を備えるエンジンの制御装置に関する。

排気ガスのエネルギを利用して、燃焼室に導入される吸気を過給する機械式過給機を備えたエンジンが広く採用されている。

この種の機械式過給機はターボチャージャとも呼ばれ、エンジンの吸気通路の途中にコンプレッサを配置し、排気通路の途中にタービンを配置し、排気通路を流れる排気ガスでタービンを回転させることによりコンプレッサを作動させ、燃焼室への吸入空気量を増大させて、エンジンのトルクの向上を図っている。

また、近年は、排気ガスのエネルギを利用した過給機以外にも、コンプレッサを電動機で駆動するようにした電動式過給機が種々提案されている。電動式過給機は、エンジンの運転状態によらず、電力を供給することで任意に過給が出来るという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

また、排気ガスのエネルギを利用する機械式過給機は、排気ガスの一部を分流させることにより、タービンへの流入量を調節するウェイストゲートバルブが採用される。タービンを通過する排気ガスの量をウェイストゲートバルブで調整することで、吸気の過給圧を制御することができる。

従来のウェイストゲートバルブは、過給圧を動力源とした空圧式アクチュエータにより制御されていたが、近年は、電動機で開閉制御するようにした電制式ウェイストゲートバルブも採用されている。ウェイストゲートバルブを電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御が可能となっている。

特開２００５−１６３６７４号公報

ところで、一般にエンジンの冷態始動時において、特に外気温が低いと、エンジンやトランスミッションの潤滑油や作動油の粘度が増大し、スタータでクランクを回すための抵抗が増大する。このため、クランキング速度が低下することとなる。

また、外気温が低い場合、バッテリの放電能力が低下するため、スタータへの供給電力が減少し、クランキング速度が低下する。クランキング速度が低下すると、圧縮行程の時間が延びるため、ピストンリングやバルブシートからの吸気漏れ量が増大し、実圧縮比が低下するという問題がある。また、実圧縮比が低下すると、圧縮上死点付近における筒内ガス圧力と筒内ガス温度が低下するので、始動に必要な燃焼が得られないという問題もある。

そこで、この発明の課題は、エンジンの冷態時、特に、外気温が低い場合において、エンジンの始動性を向上することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機とを備え、エンジンの始動時に前記電動式過給機を駆動するとともに前記排気バイパスバルブを閉状態とするエンジンの制御装置を採用した。

ここで、エンジンの始動時における前記電動式過給機の駆動及び前記排気バイパスバルブの閉状態への設定はエンジンの始動が完了するまで行われることが望ましい。

また、エンジンの始動時における前記電動式過給機の駆動及び前記排気バイパスバルブの閉状態への設定はエンジンの冷態時又は外気温が所定温度以下の場合に、特に始動性向上の効果が高い。

さらに、前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブとを備え、前記吸気バルブと前記排気バルブはその両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定されている場合も、始動性向上の効果を発揮し得る。

これらの各構成において、前記排気バイパスバルブはエンジンの始動が完了した後に開状態とする構成を採用することができる。

この発明によれば、エンジンの始動時に電動式過給機を駆動するとともに、機械式過給機のタービンを回避する排気バイパス通路の排気バイパスバルブを閉状態としたので、エンジンの冷態時や外気温が低い場合においても、燃焼室への吸気の充填効率を高め、エンジンの始動性を向上することができる。

この発明の実施形態を示すエンジンの制御装置の模式図である。 この発明のエンジンの始動時を示すグラフ図である。 この発明のエンジンの制御を示すフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの制御装置Ｅを概念的に示す模式図である。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンである。エンジン１の構成は、図１に示すように、内部に燃焼室を有する気筒２内に吸気を送り込む吸気ポート３、その吸気ポート３に通じる吸気通路４、排気ポート１３から引き出された排気通路１４、吸気ポート３又は燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置等を備えている。吸気ポート３及び排気ポート１３は、それぞれバルブによって開閉される。

この実施形態では４つの気筒を備えた４気筒エンジンを想定しているが、気筒の数に関わらずこの発明を適用可能である。

燃焼室へ通じる吸気通路４には、燃焼室への接続部である吸気ポート３から上流側に向かって、吸気ポート３への流路面積を調節するスロットルバルブ５、吸気通路４を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置（インタークーラ）６、機械式過給機（ターボチャージャ）１０の機械式コンプレッサ１１が、さらに上流側の吸気通路４には、流路面積を調節する第二スロットルバルブ７、エアクリーナ（図示せず）等が設けられる。

排気通路１４には、燃焼室への接続部である排気ポート１３から下流側に向かって、機械式過給機１０のタービン１２、排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）等を除去する触媒等を備えた排気浄化部１５、消音器１６等が設けられる。

機械式過給機１０は、図１に示すように、吸気通路４に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサ１１と、排気通路１４に配置される排気タービン１２とで構成される。排気通路１４を流れる排気ガスによって排気タービン１２が回転すると、その回転が吸気通路４の機械式コンプレッサ１１に伝達される。機械式コンプレッサ１１の回転によって、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、排気通路１４における排気タービン１２の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路４１と、その排気バイパス通路４１を開閉する排気バイパスバルブ４２とを備えた排気バイパス装置４０、いわゆるウェイストゲートバルブ装置が設けられている。排気バイパスバルブ４２を開放すれば、排気タービン１２側に流れている排気ガスの一部が排気バイパス通路４１側に分流されて、排気タービン１２に加わる排気エネルギが低減される。

この実施形態では、排気バイパスバルブ４２は電動機で開閉制御される電制式ウェイストゲートバルブとなっている。

さらに、吸気通路４の途中には、電動式過給機３０が配置されている。電動式過給機３０は、吸気通路４に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサ３２を備える。電力を供給することにより電動式コンプレッサ３２を駆動すると、吸気通路４内を流れる吸気に過給が行われる。

また、吸気通路４には、電動式コンプレッサ３２の上流側と下流側とを接続する吸気バイパス通路３３と、その吸気バイパス通路３３を開閉する吸気バイパスバルブ３４が設けられている。

排気バイパスバルブ４２や吸気バイパスバルブ３４、電動式コンプレッサ３２等の駆動電力は、バッテリ６０から供給されるようになっている。ここでは、排気バイパスバルブ４２や吸気バイパスバルブ３４、電動式コンプレッサ３２等に電力を供給するバッテリ６０を、エンジン１の他の部分やこのエンジン１を搭載する車両全般に電力を供給するバッテリと共通としている。ただし、排気バイパスバルブ４２や電動式コンプレッサ３２の駆動電力を供給するバッテリは、エンジン１や車両全体に電力を供給するバッテリとは別に設けることもできる。

排気通路１４の排気タービン１２の下流側と、吸気通路１１の機械式コンプレッサ１１と第二スロットルバルブ７との中途部分は、排気ガス再循環装置２０を構成する排気還流通路２１によって連通している。排気還流通路２１を介して、燃焼室から排出される排気ガスの一部が、還流ガスとして吸気通路４の機械式コンプレッサ１１及び電動式コンプレッサ３２の上流側に還流する。この排気還流通路２１には排気還流バルブ２２が設けられている。排気還流バルブ２２の開閉と第二スロットルバルブ７の開閉に伴う吸気通路４内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路４内の吸気に合流する。

このエンジン１を搭載する車両は、エンジン１を制御するための電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０を備える。

電子制御ユニット５０は、吸気ポート３又は燃焼室内に設けた燃料噴射装置（図示せず）による燃料噴射や、過給圧の制御、スロットルバルブ５や第二スロットルバルブ７の開度の制御、排気ガス再循環装置２０の制御、その他、エンジンの制御に必要な指令を行う。

また、電子制御ユニット５０は、機械式過給機１０を制御する機械式過給機制御手段５１、電動式過給機３０を制御する電動式過給機制御手段５２、吸気バイパスバルブ３４を制御する吸気バイパス装置制御手段５３、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を制御する排気バイパス装置制御手段５４を備える。

また、図１に示すように、吸気通路４には、燃料タンクで発生した蒸発燃料をキャニスタ等において一時的に蓄え、それをスロットルバルブ５の下流側に導入するパージ装置ａが設けられている。また、エンジン１の内部に漏出した未燃焼ガスを主成分とするブローバイガスを、吸気ポート３に還流させるブローバイガス還流装置ｂ、第二スロットルバルブ７の上流側に開口してクランクケース内の圧力を逃がすためのブリーザ装置ｅ等が設けられている。これらの装置も、電子制御ユニット５０が制御する。

さらに、吸気通路４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、スロットルバルブ５の下流側の圧力センサｃ、スロットルバルブ５の上流側の圧力センサｄ、吸気通路４内を流れる空気の量を検出するエアーフローセンサｆ等が設けられている。

排気通路１４には、エンジン１の制御に必要な情報を取得するセンサ装置として、排気ガスの温度を検出する排気温度センサｇが設けられている。

また、エンジン１には、外気の温度を検出する外気温センサｈと、シリンダブロック等を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサｉ、エンジン１のクランクシャフトの回転速度を検出する回転速度センサｊが設けられ、また、エンジン１を搭載する車両には、アクセルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサｋ等が設けられている。

これらの各種センサ類の情報は、ケーブルを通じて電子制御ユニット５０が取得できるようになっている。

以下、このエンジン１の始動時における制御を、図３のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、運転者がイグニッションのスタータスイッチでエンジン１の始動要求を行う。

スタータスイッチのＯＮ動作の信号を受けて、ステップＳ２において、アクセル開度センサｋによって検出されるアクセル開度や、水温センサｉによって検出される冷却水の水温、外気温センサｈによって検出される外気温等も、電子制御ユニット５０に読み込まれる。

ステップＳ３において、エンジン１が冷態時であると判断される場合、すなわち、冷却水の水温が所定水温（例えば、−１０℃）未満である場合、ステップＳ４へ移行し、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を閉状態とするとともに、ステップＳ６へ移行し、電動式過給機３０の電動式コンプレッサ３２を駆動する制御が行われる。

なお、ステップＳ３において、エンジン１が温態時であると判断される場合、すなわち、冷却水の水温が所定水温（例えば、−１０℃）以上である場合、ステップＳ５へ移行し、排気バイパス装置４０の排気バイパスバルブ４２を開状態とするとともに、ステップＳ６へ移行し、電動式過給機３０の電動式コンプレッサ３２を駆動する制御が行われる。

ステップＳ７では、スタータスイッチのＯＮ動作の信号を受けて、エンジン１に備えられるスタータが電力により駆動される。スタータが駆動すると、エンジン１のクランクシャフトの回転速度が回転速度センサｊによって検出される。クランクシャフトの回転速度は、電子制御ユニット５０に読み込まれる。

エンジン１の冷態時に、電動過給機３０を作動させて燃焼室への吸気の充填効率を増大させることで、燃焼室内のピストンの動きが圧縮行程中にある場合における、ピストンリングやバルブシート周辺から吸気漏れが発生しても、吸気の充填量が充分であることから、始動に必要な燃焼が得られるような実圧縮比を確保することができる。このため、冷態時における始動性を向上させることができる。

この始動時における電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持は、冷却水の水温に係わらず、外気温が所定温度以下の場合に行うようにしてもよい。あるいは、冷却水の水温の条件と外気温の条件とを組み合わせ、例えば、冷却水の水温が所定水温以下で且つ外気温が所定温度以下となる場合に適用するようにしてもよい。エンジンの始動時における電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持は、エンジンの冷態時や外気温が低い場合に行われると、特に始動性向上の効果が高い。

ここで、エンジンの始動時における電動式過給機３０の駆動は、少なくともエンジンの始動が完了するまで行われることが望ましい。この実施形態では、エンジンの始動が完了した時点でスタータを停止させ、同時に電動式過給機３０の駆動を停止し、消費電力量の低減を図っている（ステップＳ８、ステップＳ９、ステップＳ１０参照）。

エンジン１の始動が完了したかどうかの判別は、エンジン１のクランクシャフトの回転速度の変動に基づいて、電子制御ユニット５０が備える始動判定手段５５が行うことができる。図２の符号ｐ１に示すように、スタータの駆動によるクランキング時に、クランクシャフトの回転速度が完爆回転速度に至った場合に、始動の完了（完爆）が判定される。

図２における期間ｔ１は、この実施形態におけるイグニッションのスタータスイッチがＯＮ操作から始動の完了までの間に行う、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持の期間を示している。

実施形態の変形例として、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持の期間を、例えば、符号ｔ１の期間だけでなく、符号ｔ１とｔ２とを合わせた期間に設定してもよい。期間ｔ２は、始動時における回転速度のオーバーシュートが終了する時点まで設定されている。

また、このエンジン１の制御では、吸気通路４の燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、排気通路１４の燃焼室への開口を開閉する排気バルブの両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定されている。

バルブオーバーラップ期間中は、吸気ポート３から燃焼室内に導入された吸気が、そのまま排気ポート１３へ流出してしまういわゆる吹き抜け現象が生じやすい。吹き抜け現象が生じると、燃焼室への吸気の充填効率が低下するので、この場合、電動式過給機３０の駆動及び排気バイパスバルブ４２の閉状態の維持が排気ポートの圧力を高め、始動性向上に特に高い効果を発揮できる。

なお、排気バイパスバルブ４２の閉状態は、少なくともエンジンの始動が完了するまで維持され、排気バイパスバルブ４２はエンジンの始動が完了した後は開状態とされる（ステップＳ１１、ステップＳ１２参照）。排気バイパスバルブ４２の閉状態から開状態への切り替えは、電動式過給機３０の駆動の停止と同時に又は駆動の停止後とすることができる。エンジンの始動が完了した後は、排気バイパスバルブ４２を開放して排気ポート圧力を下げることで、排気ポンプロスや残留燃焼ガスを早期に低減することができる。

このとき、排気バイパスバルブ４２の開状態への設定は、エンジン１の回転が安定し排気浄化部１５の昇温制御を開始する図２の期間ｔ４としてもよいし、それ以前のオーバーシュート直後の期間ｔ３を含むｔ３とｔ４とを併せた期間としてもよい。また、電動式過給機３０の駆動が期間ｔ１で終了している場合は、排気バイパスバルブ４２の閉状態を、期間ｔ２、ｔ３とｔ４とを併せた期間としてもよい。

この実施形態では、排気バイパス装置４０、すなわち、ウェイストゲートバルブ装置を電制式とすることで、過給圧が低い場合でも駆動でき、より緻密な制御を可能としているが、ウェイストゲートバルブ装置は、空圧式アクチュエータにより制御してもよいが、ウェイストゲートバルブ作動が圧力発生後となるため、効果は減少する。このとき、バキュームポンプを用いた負圧式とすることが望ましい。

この実施形態では、エンジン１が冷態時であるかどうかを判断するために、エンジン１のシリンダブロック等を冷却する冷却水の温度を用いたが、これに代えて、例えば、エンジン１の潤滑油の温度や、エンジン１のシリンダブロック等を構成する部材の温度を用いてもよい。

この実施形態のエンジン１は自動車用４サイクルガソリンエンジンとしたが、この実施形態には限定されず、他の形式のガソリンエンジンの他、ディーゼルエンジンでもこの発明を適用できる。

１ エンジン
２ 気筒
３ 吸気ポート
４ 吸気通路
５ スロットルバルブ
６ 吸気冷却装置（インタークーラ）
７ 第二スロットルバルブ
１０ 機械式過給機
１１ 機械式コンプレッサ
１２ 排気タービン
１３ 排気ポート
１４ 排気通路
１５ 排気浄化部
１６ 消音器
２０ 排気還流装置
２１ 排気還流通路
２２ 排気還流バルブ
３０ 電動式過給機
３２ 電動式コンプレッサ
３３ 吸気バイパス通路
３４ 吸気バイパスバルブ
４０ 排気バイパス装置
４１ 排気バイパス通路
４２ 排気バイパスバルブ
５０ 電子制御ユニット
５１ 機械式過給機制御手段
５２ 電動式過給機制御手段
５３ 吸気バイパス装置制御手段
５４ 排気バイパス装置制御手段
５５ 始動判定手段

Claims (5)

1. 吸気通路に配置され燃焼室へ導入される吸気を過給する機械式コンプレッサと排気通路に配置される排気タービンとを備えた機械式過給機と、
   前記排気通路における前記排気タービンの上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路を開閉する排気バイパスバルブと、
   前記吸気通路に配置され燃焼室への吸気を過給する電動式コンプレッサを備えた電動式過給機と、
   を備え、
   エンジンの始動時に前記電動式過給機を駆動するとともに前記排気バイパスバルブを閉状態とするエンジンの制御装置。
2. エンジンの始動時における前記電動式過給機の駆動及び前記排気バイパスバルブの閉状態への設定はエンジンの始動が完了するまで行われる
   請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. エンジンの始動時における前記電動式過給機の駆動及び前記排気バイパスバルブの閉状態への設定はエンジンの冷態時又は外気温が所定温度以下の場合に行われる
   請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記吸気通路の前記燃焼室への開口を開閉する吸気バルブと、
   前記排気通路の前記燃焼室への開口を開閉する排気バルブと、
   を備え、
   前記吸気バルブと前記排気バルブはその両方が開放された状態であるバルブオーバーラップ期間が設定される
   請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記排気バイパスバルブはエンジンの始動が完了した後に開状態とする
   請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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